DE102011004160A1 - Method and device for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Untersuchung eines Hohlorgans (6) mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel (2), mit der aus dem Inneren des Hohlorgans (6) fortlaufend Videobilder erzeugt werden, werden diese während der Navigation der Endoskopkapsel (2) im Hohlorgan (6) mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet und automatisch auf das Vorhandensein diagnostisch relevanter Information analysiert, und es wird das Ergebnis dieser Analyse zur Steuerung der Endoskopkapsel (2) herangezogen.In a method and a device for examining a hollow organ (6) with a magnet-guided endoscope capsule (2), with which video images are continuously generated from the interior of the hollow organ (6), these are recorded during the navigation of the endoscope capsule (2) in the hollow organ (6 ) evaluated with methods of digital image processing and automatically analyzed for the presence of diagnostically relevant information, and the result of this analysis is used to control the endoscope capsule (2).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Untersuchung eines Hohlorgans mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel.The invention relates to a method and a device for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule.
Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines im Körper eines Lebewesens befindlichen Hohlorgans, beispielsweise des Magen-Darmtraktes eines Patienten, ist es beispielsweise aus der
Bei einer solchen endoskopischen Untersuchung (magnetgeführte Kapselendoskopie) muss der die Diagnose durchführende Arzt eine Vielzahl von in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgenden Bildern einerseits hinsichtlich gegebenenfalls vorhandener diagnostisch relevanter Bildinhalte, andererseits auch im Hinblick auf eine korrekte Steuerung der Endoskopkapsel verarbeiten. Allein die Steuerung der Endoskopkapsel erfordert jedoch ein hohes Maß an Aufmerksamkeit, so dass grundsätzlich das Risiko besteht, dass der die Untersuchung durchführende Arzt diagnostisch relevante Details übersieht.In such an endoscopic examination (magnetically guided capsule endoscopy), the physician carrying out the diagnosis must process a large number of images consecutive at short intervals on the one hand with regard to possibly existing diagnostically relevant image contents, on the other hand also with regard to a correct control of the endoscope capsule. However, the control of the endoscope capsule requires a high degree of attention, so that in principle there is a risk that the examining doctor overlooks diagnostically relevant details.
Zwar ist es bei der passiven Kapselendoskopie grundsätzlich bekannt, das vorhandene Bildmaterial nachträglich einer digitalen Bildverarbeitung zu unterziehen, um auf diese Weise mit Methoden der computerunterstützten Diagnose (CAD) Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen es möglich ist, klinisch relevante pathologische Strukturen automatisch zu erkennen und auf diese Weise dem untersuchenden Arzt die Auswertung zu erleichtern.Although it is generally known in passive capsule endoscopy to subsequently subject the existing image material to digital image processing in order to provide methods of computer-aided diagnosis (CAD) methods with which it is possible to automatically acquire clinically relevant pathological structures recognize and thus facilitate the evaluation of the examining doctor.
Eine solche nachträgliche automatisierte Auswertung würde jedoch auch bei der magnetgeführten Kapselendoskopie auf der Grundlage des verfügbaren Videomaterials erfolgen, so dass nach wie vor das Risiko besteht, dass pathologische Erscheinungsformen nicht oder nur undeutlich auf den Videobildern wiedergegeben werden, da diese von der Endoskopkapsel nicht oder nur undeutlich erfasst worden sind, weil der untersuchende Arzt die diagnostische Relevanz während der Untersuchung nicht erkannt und bei der Steuerung der magnetgeführten Endoskopkapsel nicht entsprechend berücksichtigt hat.However, such a subsequent automated evaluation would also take place in the magnet-guided capsule endoscopy on the basis of the available video material, so that there is still the risk that pathological manifestations are not or only indistinctly reproduced on the video images, as these from the endoscope capsule or only have been detected indistinctly because the examining doctor has not recognized the diagnostic relevance during the study and has not taken into account in the control of the magnetically guided endoscope capsule.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung eines Hohlorgans mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel anzugeben, mit dem die Wahrscheinlichkeit, mit der pathologische Strukturen in Hohlorgan erkannt werden können, erhöht und dementsprechend die Wahrscheinlichkeit einer falsch-negativen oder falsch-positiven Diagnose verringert ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren betriebene Einrichtung anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a method for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule, which increases the probability with which pathological structures in the hollow organ can be detected, and accordingly reduces the probability of false-negative or false-positive diagnosis is. In addition, the invention has the object to provide a device operated by this method.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden die aus dem Inneren des Hohlorgans fortlaufend mit der magnetgeführten Endoskopkapsel erzeugten Videobilder während der Navigation der Endoskopkapsel im Hohlraum mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet und automatisch auf das Vorhandensein diagnostisch relevanter Information analysiert, und es wird das Ergebnis der Analyse, d. h. eine Aussage darüber, ob die Videobilder eine diagnostisch relevante, d. h. auf ein Krankheitsbild hinweisende Information enthalten oder nicht, zur Steuerung der Endoskopkapsel herangezogen.The above object is achieved according to the invention, with a method having the features of claim 1. According to these features, the video images generated from the interior of the hollow organ continuously with the magnet-guided endoscope capsule are evaluated during navigation of the endoscope capsule in the cavity with methods of digital image processing and automatically analyzed for the presence of diagnostically relevant information, and the result of the analysis, i. H. a statement about whether the video images are a diagnostically relevant, d. H. contain information indicative of a disease or not, used to control the endoscope capsule.
Die auf ein Krankheitsbild hinweisende, d. h. diagnostisch relevante Information kann beispielsweise direkt aus einer im Videobild erkennbaren pathologischen Veränderung an der Wand des Hohlorgans oder indirekt aus den Opazitätseigenschaften der im Hohlorgan befindlichen Flüssigkeit abgeleitet werden, da sich bestimmte Krankheitsbilder auch durch Trübung oder Färbung der Flüssigkeit oder durch das Vorhandensein von Partikeln in der Flüssigkeit bemerkbar machen. Von besonderem Interesse ist dabei das Erkennen einer akuten Gastritis (Magenschleimhautentzündung), da diese eine der Hauptursache für das Auftreten von Magenkrebs ist. Vorzugsweise besteht deshalb die diagnostische relevante Information in dem Vorhandensein von Bereichen an der Wand des Hohlorgans, die eine mögliche Gastritis indizieren.The indicative of a disease, d. H. Diagnostically relevant information can be derived, for example, directly from a recognizable in the video image pathological change on the wall of the hollow organ or indirectly from the Opacityseigenschaften the fluid contained in the hollow organ, as certain clinical pictures also by turbidity or coloration of the liquid or by the presence of particles in the Make fluid noticeable. Of particular interest is the detection of acute gastritis (gastritis), as this is a major cause of gastric cancer. Preferably, therefore, the diagnostic relevant information is the presence of areas on the wall of the hollow organ which indicate possible gastritis.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass das Erkennen diagnostisch relevanter Bereiche der Wand oder diagnostisch relevanter Eigenschaften der Flüssigkeit, in der die Endoskopkapsel schwimmt, während der Untersuchung dazu benutzt werden kann, die Endoskopkapsel so zu steuern, um den als möglicherweise pathologisch identifizierten Wandbereich des Hohlorgans oder die in der Flüssigkeit selbst entdeckten Unregelmäßigkeiten einer ausführlicheren endoskopischen Untersuchung zu unterziehen, indem beispielsweise die Endoskopkapsel angehalten wird und näher an den betreffenden Oberflächenbereich herangefahren wird, um dem Arzt eine genauere Betrachtung zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise eine höhere Vergrößerung oder eine Betrachtung aus unterschiedlichen Winkeln sein, die ihm eine bessere Beurteilung ermöglicht, ob es sich tatsächlich um einen gastritischen Bereich handelt oder nicht. Beim Erkennen einer diagnostisch relevanten Veränderung der Flüssigkeit kann beispielsweise die Endoskopkapsel gedreht werden, um die Eigenschaften der Flüssigkeit in unterschiedlichen Richtungen näher zu analysieren, um beispielsweise die Ursache der Veränderung, beispielsweise der Ort an der Wand, an dem eine Ablösung von Partikeln stattfindet, lokalisieren zu können, so dass dieser näher untersucht werden kann.The invention is based on the consideration that the recognition of diagnostically relevant areas of the wall or diagnostically relevant properties of the liquid in which the endoscope capsule floats can be used during the examination to control the endoscope capsule in such a way as to identify the possibly pathologically identified wall area subjecting the hollow organ or the irregularities discovered in the fluid itself to a more extensive endoscopic examination, for example by stopping the endoscope capsule and moving it closer to the relevant surface area in order to allow the physician a closer examination. This may be, for example, a higher magnification or a viewing from different angles, which allows it to better judge whether it is indeed a gastric region or not. Upon detection of a diagnostically relevant change in the fluid, for example, the endoscope capsule can be rotated in order to determine the properties of the fluid in analyze different directions in more detail, for example, to be able to locate the cause of the change, such as the location on the wall, where a detachment of particles takes place, so that it can be examined in more detail.
Diese Steuerung kann entweder automatisiert erfolgen oder vom Arzt manuell durchgeführt werden, wenn ihm bei der Betrachtung der Videobilder am Monitor optisch oder visuell ein derartiger Hinweis auf das mögliche Vorhandensein einer pathologischen Veränderung angezeigt wird.This control can either be automated or performed manually by the doctor if visually or visually such an indication of the possible presence of a pathological change is displayed when viewing the video images on the monitor.
Hierzu wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens aus den Videobildern zum Lokalisieren von hohen Intensitätsgradienten durch Vorbearbeitung jeweils ein Grauwertbild erzeugt, dessen Bildpunkten jeweils ein Grauwert zugeordnet wird, aus dem durch Glättung und Kantenfilterung ein gefiltertes Bild erzeugt wird, dessen Bildpunkten ein Filterwert zugeordnet ist, wobei aus den Filterwerten der Bildpunkte des gefilterten Bildes ein Schwellwert abgeleitet wird. Das Videobild wird in jeweils eine Vielzahl von Gruppen aufgeteilt, die jeweils eine Vielzahl von Bildpunkten umfassen, und es werden nur diejenigen Gruppen als relevante Gruppen zur Analyse herangezogen, die eine Mindestanzahl von Bildpunkten enthalten, die im gefilterten Bild den Schwellwert überschreiten. Durch diese Maßnahmen wird die Anzahl der zur Analyse benötigten Bildpunkte auf ein Maß reduziert, das eine automatisierte Analyse während der Untersuchung (on-the-fly) ermöglicht.For this purpose, in a preferred embodiment of the method, a grayscale image is generated from the video images for locating high intensity gradients by preprocessing, whose pixels are each assigned a gray value from which a filtered image is generated by smoothing and edge filtering, whose pixels are assigned a filter value, wherein a threshold value is derived from the filter values of the pixels of the filtered image. The video image is divided into a plurality of groups, each comprising a multiplicity of pixels, and only those groups which contain a minimum number of pixels which exceed the threshold value in the filtered image are used as relevant groups for analysis. These measures reduce the number of pixels needed for analysis to a level that allows for automated on-the-fly analysis.
Eine besonders hohe Treffsicherheit wird erzielt, wenn jeder relevanten Gruppe eine Vielzahl von Eigenschaften zugeordnet wird, anhand derer mit einem anhand von bewerteten Testbildern trainierten Expertensystem beurteilt wird, ob die relevante Gruppe einen gastritischen Bereich indiziert oder nicht.A particularly high accuracy is achieved if each relevant group is assigned a multitude of properties, with the aid of which an expert system trained on the basis of evaluated test images is used to assess whether the relevant group indicates a gastric area or not.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.With regard to the device, the object is achieved according to the invention with a device having the features of claim. 7
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention reference is made to the figures. Show it:
Gemäß
Im dargestellten Beispiel befindet sich im Gesichtsfeld
Das Magnetsystem
In der Steuer- und Auswerteeinheit
Die in der Steuer- und Auswerteeinheit
In diesem gefilterten Bild F = f(x, y) wird nun im Schritt
In einem nächsten Schritt
In einem nächsten Schritt
Die Farbstruktureigenschaften dienen dazu, zwischen der quantitativen und räumlichen Verteilung von Farbeigenschaften innerhalb einer Gruppe bini,rel(x, y) zu unterscheiden. Hierzu werden die Gruppen bini,rel(x, y) jeweils in Untergruppen unterteilt. Im Ausführungsbeispiel werden in jeder der Gruppen bini,rel(x, y) 25 Untergruppen zu je 3×3 Bildpunkten gebildet. Nunmehr wird in fünf Farbkanälen (RGB-Farbraum: R, G, B; Lab-Farbraum: L; HSV-Farbraum: V) das Auftreten einer speziellen Farbeigenschaft detektiert. Als Merkmal wird dann die Häufigkeit des Auftretens einer bestimmten Farbeigenschaft in einem dieser Kanäle innerhalb der Untergruppe aufgenommen.The color structure properties serve to distinguish between the quantitative and spatial distribution of color properties within a group bin i, rel (x, y). For this purpose, the groups bin i, rel (x, y) are subdivided into subgroups. In the exemplary embodiment, 25 subgroups each of 3 × 3 pixels are formed in each of the groups bin i, rel (x, y). Now in five color channels (RGB color space: R, G, B, Lab color space: L, HSV color space: V) the occurrence of a special color property is detected. As a feature, the frequency of occurrence of a particular color characteristic in one of these channels within the subgroup is then recorded.
Zum Untersuchen der Textureigenschaften innerhalb einer jeden relevanten Gruppe bini,rel(x, y) wird außerdem auf die in dieser Gruppe vorliegenden Grauwerte g des ungefilterten Grauwertbildes G zurückgegriffen und ein sogenanntes difference-of-boxes-Filter angewandt, dessen Filterantwort hohe negative und positive Amplituden für räumliche Änderungen der Intensität haben.For examining the texture properties within each relevant group i, rel (x, y) is also related to the gray values g of the unfiltered gray value image G present in this group and used a so-called difference-of-boxes filter whose filter responses have high negative and positive amplitudes for spatial changes in intensity.
Auf diese Weise wird jeder relevanten Gruppe bini,rel(x, y) ein Eigenschaftsvektor e mit einer der Anzahl m der Eigenschaften entsprechenden Anzahl von Komponenten zugeordnet.In this way, each relevant group bin i, rel (x, y) is assigned a property vector e with a number of components corresponding to the number m of properties.
In vorhergehenden Lernschritten sind für eine Vielzahl von Testbildern die Original-Bilddaten der in jedem der Testbilder nach dem vorstehend erläuterten Verfahren extrahierten relevanten Gruppen bini,rel(x, y) von einem Experten hinsichtlich ihrer diagnostischen Relevanz beurteilt. Hierzu werden zwei Klassen C1, C2 gebildet. Relevante Gruppen bini,rel(x, y) mit positivem Befund (diagnostisch relevant) werden der Klasse C1 zugeordnet, die übrigen (diagnostisch irrelevant) der Klasse C2 (Schritt
Mit Hilfe eines Lernalgorithmus, im Beispiel ein sogenannter Adaptive-Boosting-Algorithmus, wird nun anhand der von Experten beurteilten Testbilder das System derart trainiert, dass dieses auf der Grundlage des jeder relevanten Gruppe bini,rel(x, y) zugeordneten Eigenschaftsvektors mit einer hohen Wahrscheinlichkeit treffsicher entscheiden kann, welcher Klasse C1, C2 diese Gruppe bini,rel(x, y) zugeordnet werden kann.With the aid of a learning algorithm, in the example a so-called adaptive boosting algorithm, the system is trained in such a way on the basis of the characteristic vector bin i, rel (x, y) associated with each relevant group bin i, rel (x, y) high probability can decide which class C1, C2 this group i, rel (x, y) can be assigned.
Im Verlauf dieser Trainingsphase werden außerdem die für die spätere automatisierte Bildanalyse verwendeten Eigenschaften, d. h. die tatsächlich notwendigen und geeigneten, d. h. relevanten Komponenten des Eigenschaftsvektors aus einer größeren Anzahl von Eigenschaften extrahiert, indem diejenigen Komponenten nicht mehr berücksichtigt werden, die in der Trainingsphase sowohl für die Gruppen bini,rel(x, y) der Klasse C1 als auch für die Gruppen bini,rel(x, y) der Klasse C2 den Wert 0 ergeben. Ebensowenig werden diejenigen Eigenschaften weiter berücksichtigt, deren Varianz in der Gruppe C1 größer oder annähernd gleich der Varianz dieses Merkmals in der Gesamtzahl der Gruppen ist.In the course of this training phase, the properties used for the later automated image analysis, ie the actually necessary and suitable, ie relevant components of the property vector, are also extracted from a larger number of properties by disregarding those components that are used in the training phase for both Groups are i, rel (x, y) of class C1 as well as the groups bin i, rel (x, y) of class C2 the
Mit diesen Maßnahmen hat sich in der Praxis eine Anzahl von 66 Merkmalen ergeben, die bei der automatisierten Bildauswertung zur Beurteilung herangezogen werden, ob es sich um eine gastritische Läsion handelt oder nicht.These measures have resulted in practice in a number of 66 features that are used in the automated image analysis to assess whether it is a gastric lesion or not.
Mit dem auf diese Weise trainierten Expertensystem wird nun in Schritten
Das für die Erkennung einer Gastritis verwendete Verfahren ist grundsätzlich mit geeigneten vorverarbeitenden Schritten sowie mit zur Charakterisierung geeigneten Eigenschaftsvektoren zur automatischen Erkennung anderer Krankheitsbilder geeignet, bei denen die diagnostisch relevante Information in einer Trübung und/oder Färbung einer im Hohlorgan befindlichen Flüssigkeit und/oder einem Vorhandensein von Partikeln in der Flüssigkeit besteht, d. h. bei denen die optischen Eigenschaften der Flüssigkeit das Vorliegen eines Krankheitsbildes indizieren.The method used for the detection of gastritis is basically suitable with suitable preprocessing steps and suitable for the characterization of property vectors for the automatic detection of other diseases in which the diagnostically relevant information in a turbidity and / or coloration of a fluid located in the hollow organ and / or a presence of particles in the liquid, d. H. in which the optical properties of the fluid indicate the presence of a clinical picture.
So vermischt sich bei bestimmten Krankheitsbildern im untersuchten Organ die zugeführte Flüssigkeit, deren Eigenschaften bekannt sind, mit Fremdkörpern. So kann es sich bei diesen Fremdkörpern beispielsweise um Gewebeteile handeln, die sich flockenartig bei einem Ulcus ventriculi (Magengeschwür) von der Magenwand ablösen. Diese Gewebeflocken sind dann im Endoskopbild als in der Flüssigkeit schwebende Partikel zu erkennen. Die Art, Menge und Größe dieser Fremdkörper geben dabei ein sehr gutes erstes Indiz dafür ab, ob eine bestimmte Krankheit vorliegt, auch wenn die betroffene anatomische Stelle mit dem Endoskop noch nicht gesichtet wurde. Zu erkennen sind die Fremdkörper im Endoskop zumeist als schwebende Partikel, können aber bei geringer Größe auch als Eintrübung der Flüssigkeit ausgebildet sein.Thus, in certain diseases in the examined organ mixes the supplied liquid whose properties are known with foreign bodies. For example, these foreign bodies can be tissue parts which detach from the stomach wall in the manner of a flake in a gastric ulcer. These tissue flakes are then recognized in the endoscope image as floating in the liquid particles. The type, amount and size of these foreign bodies provide a very good first indication of whether a particular disease is present, even if the affected anatomical site has not yet been sighted with the endoscope. To recognize the foreign body in the endoscope usually as a floating particles, but may also be formed in small size as clouding of the liquid.
In
In
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140902 |
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R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20140902 |